二酸化炭素ホールスラスタの基礎放電特性および推薬供給方法
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21K04492
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
張 科寅 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (40710596)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邊 裕樹 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (30648390)
杵淵 紀世志 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90648502)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | 宇宙機用推進 / 電気推進 / 二酸化炭素 / ホールスラスタ / 代替推進剤 / 代替推薬 |
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| Outline of Research at the Start |
探査・商用問わず様々な人工衛星でホールスラスタ（電気推進の一種）の利用が拡大している. それに伴い, 従来の推薬であったキセノンの大量消費が課題になりつつあり, 代替推進剤の開発が求められている. 本研究では, 高価で有限であるキセノンに代わり, 二酸化炭素推薬の基礎検討を行うものである.
二酸化炭素は, 様々なガスを電離加速できるホールスラスタの推薬として有望である一方で, 電離不安定性が課題になることが予想される. 本研究では実験とシミュレーションを活用することにより, 物理メカニズムの理解を図る. また, 固体貯蔵からの推薬安定供給方法について, 原理の確認を行う.
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| Outline of Annual Research Achievements |
二酸化炭素（CO2）推進剤用のホールスラスタと、ドライアイス貯蔵供給装置の設計試作及び試験を進めた。ホールスラスタ本体については、純CO2推進剤で安定した着火・定常作動が可能であることを確認できた。ただし中和器はCO2適合性がない熱電子放出式ホローカソードを用いているため、キセノンガスを作動流体とした。CO2質量流量2.6~8.1 mg/s, 放電電圧100~200 V, 放電電力700~1600 Wの広範囲にわたって推進性能をパラメトリックに取得し、比推力最大1140秒/推力電力比最大27mN/kW（中和器や電磁コイルが消費する作動ガスや電力を含む）といった推進性能を得た。
貯蔵供給装置については、CO2をドライアイスとして低温貯蔵し、固相と液相と気相が共存する三重点を利用することで、高圧貯蔵や調圧不要な貯蔵供給システムを構築可能とするコンセプトである。単体試作試験により、60分以上三重点維持し、1kW級ホールスラスタの作動に必要な流量を供給可能であることがわかった。流量供給によるエンタルピー流出と、ドライアイス貯蔵タンクへの環境入熱のバランスに基づく、軌道上運用を模擬した数理モデルを開発し、最小限のタンクヒータ入熱により軌道上運用できる方策を見出した。また、タンク内の可視化により、三重点維持時間が理論より短くなる原因が、タンク内の温度分布が不均一にあると特定し、伝熱促進フィンの追加により、大幅に三重点維持時間が延びることを確認できた。これらの主要成果を論文投稿し、雑誌に掲載された。
さらに、以上のCO2ホールスラスタ本体と、ドライアイス貯蔵供給装置を双方真空チャンバにいれた統合試験により、作動デモンストレーションを実施した。ドライアイス貯蔵供給装置から三重点維持により定圧で供給されたCO2ガスにより、1kW級ホールスラスタ本体が問題なく放電・推力発生することを確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
CO2推進剤用のホールスラスタと、ドライアイス貯蔵供給装置について、進捗状況の項の通り、どちらも計画通りに進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画通り、CO2ホールスラスタとドライアイス貯蔵供給装置について、実験評価, 計測, 数値解析を進めることで、軌道上での実用に向け、物理現象の把握及び課題の洗い出しを行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
